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“INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA NUEVA FÁBRICA DE ISOFOTON EN EL P.T.A DE MÁLAGA”

L. Méndez, J. Vega, J.J. García, I. Eyras, F. Arribas, O. Perpiñán, R. Eyras

ISOFOTON, S.A. Dpto. Técnico. C/ Montalbán 9, 1º Dcha. 28.014 Madrid, Spain.

Tel: +34-91 531 26 25, Fax: +34 91 531 10 07, E-mail: j.garcía@isofoton.com

1.- INTRODUCCIÓN

Las nuevas instalaciones de Isofotón en el Parque Tecnológico de Andalucía (PTA)

comenzarán a ser operativas a mediados de 2.005. Dentro del complejo que actualmente se está construyendo: una nueva fábrica, almacenes, zonas de I+D, etc., se encuentra el que será el edificio destinado a albergar las oficinas de la fábrica, el cual contará con una instalación de energía solar fotovoltaica y térmica, incorporado varias soluciones de integración arquitectónica.

El Departamento Técnico de Isofotón ha sido el encargado del diseño y elaboración del proyecto.

Imagen 1: Infografía general de la fábrica

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2.- DESCRIPCIÓN BÁSICA DEL PROYECTO El proyecto se subdivide en dos grandes áreas:

1.- Fachadas del edificio, donde se emplean tres tipos distintos de integración arquitectónica:

o Fachadas ventiladas cerámicas. Las cuatro caras exteriores del edificio se recubren de baldosas cerámicas formando una fachada ventilada y en las caras sur (sureste y suroeste), pegadas a las cerámicas se añaden células fotovoltaicas. Se integran de esta manera arquitectura y generación de energía. Las fachadas ventiladas tienen una cámara de aire abierta por donde circula el aire libremente, en este caso por detrás de las cerámicas. La ventilación de estas fachadas se efectúa por convección natural y en consecuencia se disminuye la temperatura superficial del recubrimiento interno del edificio.

Imagen 2: Vista de fachadas sureste y suroeste

o Muros cortina acristalados. Bajo el mismo concepto, las zonas acristaladas de las fachadas de orientación sur se cierran con muros cortina formados por módulos fotovoltaicos con tedlar transparente. El muro cortina es uno de los más novedoso sistemas de fachadas acristaladas de la actualidad. Consiste en eliminar de la cara externa de la fachada el elemento de sujeción metálico para evitar las líneas de fachada y conseguir un efecto de continuidad en la superficie del vidrio. Para ello los cristales se fijan a la estructura (generalmente de aluminio anodizado) a través de selladores siliconados de características especiales (resistencia a rayos UV, etc.).

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Imagen 3: Vista de muro cortina en obra

o Parasol. En la fachada sureste se incorporará un parasol con laminados fotovoltaicos, es decir paneles sin marco sujetados mediante grapas, que proporcionarán el adecuado sombreado sobre los ventanales del muro cortina limitando la entrada de radiación solar a las oficinas.

2.- Patio interior y cubierta del edificio, donde se ha acometido una doble instalación:

o Fotovoltaica. Para cubrir el patio en su totalidad, empleando una solución de lucernario

con paneles laminados semitransparentes, con la intención de dejar pasar la luz y dar una sensación de calidez al espacio interior. o Térmica.

Sobre los forjados de cubierta, instalando dos tipologías distintas de colectores térmicos.

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3.- ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

3.1.- CAMPO GENERADOR Aunque dentro de diferentes soluciones de integración arquitectónica establecidas, desde el punto de vista eléctrico, se puede describir, a su vez, diferentes opciones fotovoltaicas. Todos los módulos fotovoltaicos forman un campo generador que estará compuesto por 1.364 módulos, lo que supondrá una potencia aproximada de 84.08 kWp, y serán montados de 4 formas diferentes:

1. Fachada ventilada: 1.088 módulos I-50/12 cerámicos

2. Muro cortina: 120 módulos I-50/12 laminados transparentes

3. Parasol: 60 módulos I-94/12 laminados transparentes

4. Lucernario: 108 módulos I-165/12 laminados transparentes

En la siguiente tabla se muestran las cuatro topologías de instalación, su número de

paneles, y su potencia pico.

PANELES FOTOVOLTAICOS

Fachada Total

Nº paneles conectados a red (*)

Wp/grupo de panelesZona MODULOS

Sureste Suroeste

Azotea

1364 1346 84080Cerámicos I-50 718 388 1106 1096 54800Muro Cortina I-94 60 60 120 120 11280Parasol I-50 30 30 30 1500Lucernario I-165 108 108 100 16500

(*) Por motivos técnicos no todos los paneles estarán conectados a red. Algunos de ellos sólo serán ornamentales. Los módulos del lucernario (azotea) tendrán la posibilidad de interconectarse de formas diferentes para permitir la posibilidad de conseguir un campo fotovoltaico con varias posibilidades de tensión e intensidad, y así servir como campo de pruebas para inversores de conexión a red de distintas potencias, autónomos, variadores para sistemas de bombeo, etc. Debido a la orientación del edificio, la fachada sureste queda con una orientación de -63º respecto del Sur, y la suroeste de 27º. Los módulos que se instalarán en la azotea se colocarán formando un lucernario con orientación Sur integrados junto al resto de paneles térmicos. Los paneles utilizados han sido fabricados con células de silicio monocristalino de Isofoton, en su factoría de Málaga. Estos módulos han superado unas pruebas de

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homologación muy estrictas que permiten garantizar, por un lado, una gran resistencia a la intemperie y, por otro, un elevado aislamiento entre sus partes eléctricamente activas y accesibles externamente.

La siguiente tabla resume las características generales de los módulos de Isofoton:

Células Si monocristalino, texturadas y con capa antirreflexiva Contactos Contactos redundantes, múltiples, en cada célula Laminado EVA (etilen-vinil acetato)

Cara frontal Vidrio templado de alta transmisividad. En paneles cerámicos lámina de tedlar.

Cara posterior Protegida con Tedlar de varias capas. En paneles cerámicos Gres cerámico.

Marco Sin marco. Cajas de conexión IP 65 con diodos de bypass Toma de tierra Sí Especificaciones IEC 61215 y Clase II mediante certificado TÜV Sección de cable 4-10 mm2

Terminal de conexión Bornera atornillable con posibilidad de soldadura/ Multicontacto opcional

La siguiente tabla resume las características específicas de los módulos utilizados:

Modelo I-165 I-94 I-50 I-50 Cerámico

Potencia (Wp) 165 94 50 50 Vnom (V) 12 12 12 12 Icc (A) 10,14 6,54 3,27 3,27 Voc (V) 21,6 19,8 21,6 21,4 Imax (A) 9,48 5,88 2,87 2,91 Vmax (V) 17,4 16 17,4 17,2 Dimensiones (mm) 1310x969 1208x654 1304x340 1000x500 Peso (kg) 16,5 11 5,5 14 Ns 36 33 36 36 Np 3 2 1 1 TONC (ºC) 47 47 47 47 Área (m2) 1,27 0,790032 0,44336 0,5 Tolerancia (%) 10 10 10 10

3.2.- INVERSORES

La orientación de las oficinas, los diferentes tipos de módulos, diferentes tipologías de integración, y requerimientos constructivos hacen que no sea posible la utilización de un solo inversor para todo el conjunto de la instalación. Por ello se ha optado por repartir los módulos en diferentes inversores. A continuación se presenta una tabla resumen de los diferentes inversores instalados.

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INVERSORES No de Inversores P (W) por grupo de inversores y zona

Fachada Total Fachada Total /tipo Inv

Módulos Inversores

Sure

ste

Suro

este

Azotea

32

P (W) /Inversor

Sureste Suroeste

Azotea

70550SOLETE 2500 12 12 2500 30000 30000SUNNYBOY 850 1 1 850 850 850Cerámicos

SOLETE 2500 6 6 2500 15000 15000Muro Cortina SOLETE 2500 2 2 4 2500 5000 5000 10000Parasol SUNNYBOY1100 2 2 1100 2200 2200 2200Lucernario SOLETE 2500 5 5 2500 12500 12500

Nº inversores por tipo SUNNYBOY 850 1 SUNNYBOY1100 4 SOLETE 2500 27

De la misma forma la siguiente tabla muestra el reparto de los inversores en las diferentes ubicaciones así como el número de paneles por inversor.

Zona

Tipo

de

Mód

ulo

No

Pane

les/

Inve

rsor

Tipo

Inve

rsor

No

de In

vers

ores

Azotea I-165 Transparente 20 SOLETE 2500 5 I-94 Muro Cortina 30 SOLETE 2500 2

Fachada Este I-50 Parasol 15 SUNNYBOY1100 2

Fachada Oeste I-94 Muro Cortina 30 SOLETE 2500 2 I-50 Cerámico 30 I-50 Cerámico 30

SOLETE 2500 5

I-50 Cerámico 32 I-50 Cerámico 32

SOLETE 2500 1

I-50 Cerámico 20 SUNNYBOY 850 1 I-50 Cerámico 28 I-50 Cerámico 28

SOLETE 2500 5

I-50 Cerámico 24

Fachada Este

I-50 Cerámico 24 SOLETE 2500 1

I-50 Cerámico 32 Fachada Oeste I-50 Cerámico 32

SOLETE 2500 6

Los inversores propuestos actúan como fuente de corriente sincronizada con la red y disponen de microprocesadores de control, y de un PLC de comunicaciones.

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Trabajan conectados por su lado DC a un generador fotovoltaico, y por su lado AC a un transformador que adapta la tensión de salida del inversor a la de la red. Este transformador permite además el aislamiento galvánico entre la parte DC y la AC.

Disponen de un microprocesador encargado de garantizar una curva senoidal con una mínima distorsión. La lógica de control empleada garantiza además un funcionamiento automático completo, el seguimiento del punto de máxima potencia (MPP) y evita las posibles pérdidas durante periodos de reposo (Stand-By).

Así, son capaces de transformar en corriente alterna y entregar a la red toda la potencia que el generador fotovoltaico genera en cada instante, funcionando a partir de un umbral mínimo de radiación solar.

Además, permiten la desconexión-conexión automática de la instalación fotovoltaica en caso de pérdida de tensión o frecuencia de la red, evitando el funcionamiento en isla.

También actúan como controlador permanente de aislamiento para la desconexión-conexión automática de la instalación fotovoltaica en caso de pérdida de resistencia de aislamiento, que junto con la configuración flotante para el generador fotovoltaico garantiza la protección de las personas.

La siguiente tabla resume las características específicas de los inversores utilizados:

Modelo SUNNYBOY 850 SUNNYBOY 1100 SOLETE 2500 Pmax (W) 900 1100 2750 Pnom (W) 850 1000 2500 Vmin MPP (V) 125 150 300 Vmax MPP (V) 250 400 525 Vmax (V) 250 400 650 Unom (V) 220/230 220/230 220/230 � europeo (%) 0,92 0,918 0,923 Dimensiones (mm) 322 x 290 x 180 322 x 320 x 180 500 x 400 x 300 Peso (kg) 18,5 20 35 Distorsión armónica (%) < 3 < 4 < 4 Factor de potencia > 0,95 > 0,95 > 0,98 Umbral de arranque (W) 4 5 370 V Consumo stand-by (W) 0,1 0,1 < 5 Imax,in 8 8,5 10 Rango Ns (módulos 12 V) 9-10 11-12 20-28 IP IP 65 IP 65 IP 65 Disponibilidad (%) 0,94 0,96 0,96

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3.3.- ENERGIA GENERADA La instalación tiene un carácter eminentemente integrador desde el punto de vista arquitectónico, pero por ello no deja de perder importancia como elemento generador de energía. Así, podemos determinar la aportación del sistema, además, de la relación entre kWh y kWp, prima económica que percibiremos con la venta de la energía, y cantidades de emisiones que se dejan de emitir a la atmósfera.

Zona

Energía total

generada (kWh)

Ratio de generación: kWh anuales

/ kWp

Prima económica

(€)

CO2 (Tm)*

SOX (kg)*

Lucernario 21.250,57 1.287,91 8.946,49 22,36 62,65

Fachada Sureste 26.303,49

738,86 11.073,77 27,68 77,55

Fachada Suroeste 14.384,19 749,18 6.055,74 15,13 42,40

Muro Cortina Sureste 4.167,18 738,86 1.754,38 4,38 12,28

Muro Cortina Suroeste 4.225,36 749,18 1.778,88 4,45 12,46

Parasol Sureste 1.644,46 1.096,31 692,32 1,73 4,85

Total 71.975,25 30.301,58 75,73 212,19

(*) Cantidades que se dejan de emitir a la atmósfera.

Imagen 4: Vista de fachadas sureste y este

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4.- ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

El sistema estará destinado a la preparación de agua caliente y a la refrigeración mediante máquina de absorción, utilizando captadores solares planos y de tubo de vacío. Todo el campo de captadores estará situado en la cubierta del edificio de oficinas y el resto de componentes (depósitos, bombas, intercambiadores de calor, etc.) se ubicarán en una sala de máquinas situada en el edificio central de instalaciones.

Imagen 5: Infografía general de cubierta de oficinas La máquina de absorción seleccionada es de la marca Yazaki modelo WFC SC10 de 35 Kw. Frigoríficos. Está máquina es la de mas pequeña potencia que actualmente se comercializa y cuenta con una experiencia contrastada en instalaciones similares. Será empleada básicamente para investigación del uso de la Energía Solar Térmica para alimentar con agua caliente al circuito generador de una máquina enfriadora por absorción. El frío que produzca será inyectado a la red centralizada, produciendo un cierto ahorro en el consumo de la instalación convencional. Hay que destacar que se prevé un funcionamiento durante todo el año de la máquina de absorción ya que existen necesidades de frío incluso en los meses de invierno. Ello contribuye a una mayor utilización de la máquina y por tanto favorece la rentabilidad de la inversión a realizar.

El consumo de agua caliente sanitaria en el edificio se encuentra muy distribuido en las diferentes dependencias que forman la fábrica y no se cuenta con una instalación centralizada para su calentamiento, por lo cual se descartó esta aplicación. Sin embargo, el proceso industrial denominado “Líneas Húmedas” consume aproximadamente 27.000 litros de agua desionizada al día, a una temperatura de 80ºC durante prácticamente todos los días del año.

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La instalación utilizará captadores solares planos y de tubo de vacío. De esta forma, podremos estudiar y comparar sus rendimientos, ventajas e inconvenientes en diferentes condiciones de uso. Los parámetros funcionales básicos de los captadores son los siguientes: Tipo: Placa plana con tratamiento selectivo Fabricante: ISOFOTON Modelo: ISONOX II Superficie útil: 1,9 m2 Factor de ganancia: 0,76 Factor de pérdidas: 4,5 W/m2ºC Tipo: Tubo de vacío de flujo directo Fabricante: THERMOMAX Modelo: SOLAMAX Superficie útil: 3 m2 Factor de ganancia: 0,76 Factor de pérdidas: 1,8 W/m2ºC La superficie de captación total es 230 m2. Este valor se ha calculado a partir de los datos climatológicos, de los parámetros de los captadores y de las necesidades energéticas tanto en frío como en calor, teniendo en cuenta una máxima integración en la cubierta del edificio. La instalación contempla cualquier tipo de combinación tanto de los diferentes campos de captadores ( planos y de tubos de vacío ) como de las aplicaciones ( agua caliente industrial y climatización ). Para ello cuenta con varias válvulas motorizadas accionadas de forma manual o automática por el sistema de control. El fluido de trabajo en el circuito primario es agua de red previamente tratada pero sin ningún tipo de sustancia anticongelante. En caso de heladas, fenómeno poco frecuente en la zona, el sistema de control pondrá en funcionamiento las bombas para evitar su congelación. Se ha optado por un sistema con circulación forzada indirecta con intercambiador de calor exterior, tanto en la preparación de agua caliente como en la climatización. El campo de captadores planos está formado por 6 grupos de 3 baterías conectadas entre sí en paralelo. Cada batería a su vez está formada por 3 captadores conectados también en paralelo. El campo de captadores de tubos de vacío está formado por 7 grupos de 2 baterías conectadas entre sí en paralelo. Cada batería a su vez está formada por 3 captadores conectados en serie. Dichos grupos estarán conectados en paralelo. Para que las baterías de captadores tengan el mismo recorrido hidráulico las tuberías irán dispuestas en retorno invertido para cada una de las filas de captadores y se utilizarán válvulas de equilibrado para la regulación de los caudales de cada una de las filas de captadores.

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Los captadores quedarán fijamente orientados al Sur e inclinados 30º con respecto a la horizontal. La ubicación de los captadores está libre de sombras en las horas centrales del día, incluso en los meses de invierno, empleando el criterio de mantener el campo de captadores 4 horas libres de sombras en el día más desfavorable de año, es decir el 21 de diciembre ( solsticio de invierno). Los captadores solares se colocarán en estructuras especialmente diseñadas para favorecer su integración arquitectónica. Todas las piezas que conforman la estructura y sus apoyos estarán protegidas de la corrosión mediante galvanizado en caliente. El sistema de acumulación solar de agua caliente industrial estará constituido por 2 acumuladores de 5.000 litros de capacidad, conectados en serie para favorecer la estratificación y mejorar el rendimiento de la instalación. El sistema de climatización mediante máquina de absorción empleara un depósito de 5.000 litros para favorecer su inercia térmica. En el dimensionado de los intercambiadores de calor se han tenido en cuenta las potencias máximas que deberán transmitir cuando ambos campos de captadores actúen sobre una cualquiera de las aplicaciones. El dimensionado de los componentes del circuito primario se ha realizado para un caudal unitario de 50 l/h m2 para captadores planos y 80 l/h m2 para los captadores de tubos de vacío. Estos caudales deben considerarse como nominales ya que las bombas del circuito primario estarán equipadas con variadores de frecuencia, capaces de variar su caudal de la forma más idónea para conseguir la máxima transferencia de energía, en las diferentes condiciones de utilización. Las tuberías del circuito primario y secundario de climatización serán todas de cobre y las de secundario del sistema de agua caliente industrial serán de acero inoxidable debido al uso de agua desionizada. Todas las tuberías irán recubiertas con material aislante a base de espuma elastomérica y protegidas mediante chapa de aluminio. Se prevé la instalación de vasos de expansión dotados de compresor para absorber las dilataciones volumétricas debidas a aumentos de temperatura. Todos los circuitos irán provistos de válvulas de seguridad taradas a una presión que garantice que en cualquier punto no se superará la presión máxima de trabajo del elemento más delicado del circuito al cual protegen. En el circuito primario, dichas válvulas irán situadas en cada grupo de colectores y en el circuito primario junto al vaso de expansión. Además, se instalarán válvulas de seguridad en cada uno de los acumuladores. En los puntos altos de la salida de las baterías de colectores se instalarán sistemas de purga para la evacuación de gases, constituidos por purgadores automáticos y válvulas de esfera que permita su fácil sustitución. Para reducir el nivel de vibraciones originado en la instalación se utilizarán manguitos anti-vibratorios en la impulsión y aspiración de cada una de las bombas y se colocarán filtros en la aspiración de cada grupo de bombas.

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Se prevé la utilización de sistemas convencionales de energía auxiliar para asegurar el abastecimiento de la demanda en cualquier periodo de tiempo ( típicamente periodos de baja radiación solar o de alto consumo ). La conexión hidráulica se realizará en serie en el caso de la preparación de agua caliente industrial, de forma que el sistema convencional termine de calentar el agua si fuera necesario. El sistema de climatización solar actuará en paralelo con el sistema convencional de enfriadoras. El control básico del funcionamiento de las bombas será de tipo diferencial, poniendo éstas en marcha cuando el salto de temperatura entre la salida de captadores y la parte inferior del depósito de acumulación solar sea mayor de 7ºC y parándolas cuando este valor descienda por debajo de 4ºC. En momentos de escasa radiación el caudal bajará automáticamente de forma que se pueda seguir entregando calor al circuito generador de la máquina de absorción y está continúe funcionado puesto que su temperatura de entrada será superior a la mínima requerida. Para evitar que la temperatura en los depósitos de agua caliente industrial pueda superar 80ºC, se habilitará un sistema de control programable que interrumpa el calentamiento de los depósitos por encima de dicha temperatura. De la misma forma, se evitará superar 120ºC en el depósito del sistema de climatización solar. En caso de alcanzar la temperatura máxima en el acumulador correspondiente a la aplicación seleccionada, el sistema actuará de forma que se transmita el calor hacia la otra aplicación.

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5.- MONITORIZACIÓN Cuando se tienen múltiples plantas FV distribuidas y dispersas por diferentes zonas es necesario disponer de una herramienta que permita obtener el estado de la planta así como la información almacenada sin necesidad de acceder físicamente. Actualmente se está desarrollando en Isofoton un paquete de herramientas informáticas que permita conectarse con cualquier planta y recuperar de ella la información almacenada así como poder visualizar en tiempo real el estado de la instalación. Dentro de las plantas que entran en este proyecto de monitorización de Isofoton estarán las descritas en este artículo. A pesar de que la aplicación principal a la que se destina este paquete software es la Conexión a Red, el diseño se está realizando de tal forma que las herramientas sean suficientemente flexibles para poder adaptarse a otras aplicaciones, tales como Centrales Híbridas (Marruecos, Senegal) o Bombeo.

En este caso la monitorización permitirá la gestión integral de los sistemas fotovoltaicos y térmicos de la fábrica, facilitará el servicio de mantenimiento correctivo gracias al sistema de alarmas y a la generación de informes de funcionamiento. Validará los métodos de diseño y cálculos de producción energética a partir del análisis estadístico de los datos almacenados. Todas las herramientas de monitorización se basarán en la tecnología OPC, que permite utilizar diferentes dispositivos tanto para generar datos (inversores, variadores de frecuencia) como para transmitirlos (MODEM GSM, RTB, internet), sin necesidad de modificar el núcleo del programa. Además contará con herramientas capaces de planificar automáticamente la conexión de cada sistema, recuperación de datos temporizados, y exploración de históricos de cualquiera de las instalaciones. El sistema de tele-monitorización de térmica se encargará de registrar los principales parámetros funcionales de la instalación. Para ello cuenta con los siguientes elementos: 1 Sensor de Radiación Solar 1 Sonda de Temperatura ambiente junto a captadores 26 Sondas de Temperatura de inmersión 5 Contadores de Energía y Caudal A través de un módem se podrán recibir datos de la instalación pudiendo hacer un seguimiento a distancia de los parámetros de funcionamiento tanto en tiempo real como de los datos históricos registrados.

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Como ejemplo, se muestra el resultado realizado en la Pérgola del PTA de Málaga. Esta monitorización es la primera entrega de lo que será el paquete completo que se está desarrollando en colaboración con la Universidad de Málaga.

Página web donde se muestra la aplicación remota de monitorización del PTA Málaga.

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6. CONCLUSIONES Gracias a este proyecto se demostrará la utilidad de diferentes soluciones arquitectónicas relacionadas con la generación solar, fotovoltaica y térmica. Las soluciones tomadas serán monitorizadas y se estudiarán sus resultados para su futuro desarrollo y contribuirán a las investigaciones en I+D de Isofoton. Se medirá el comportamiento de los diferentes captadores solares, se medirán sus rendimientos, su energía generada, y los beneficios climáticos en el edificio. Dentro del ámbito arquitectónico ya se han determinado interesantes conclusiones tales como:

• El aprovechamiento de superficies destinadas a otros usos para la incorporación de células fotovoltaicas para la producción de electricidad (ventanas, paneles de fachada o fachadas completas)

• El ahorro de materiales exteriores o de revestimiento del edificio y en la estructura de soporte de la instalación.

• La reducción de las pérdidas por transporte de la energía eléctrica, ya que la misma se produce en el sitio del consumo (generación distribuida).

• La reducción de la luminosidad o el soleamiento interior del edificio a los niveles óptimos. El excedente de energía lumínica no se rechaza, sino que es captada para la producción eléctrica.

• La cámara ventilada de la fachada, al mismo tiempo de mejorar las condiciones de aislamiento térmico, constituye una barrera eficaz para proteger a los usuario de la instalación eléctrica del campo de paneles: cajas de conexión, cableados, superficie posterior de la células y otros elementos eléctricos.

• Las diferentes posibilidades de distribución y densidad de células en los colectores permiten satisfacer necesidades de iluminación natural y captación fotovoltaica, ubicando las zonas de mayor densidad en sectores de antepechos y dinteles, para constituir verdaderos parasoles verticales sin reducir la visibilidad. De esta manera se regula la luminosidad del interior sin recurrir al uso de cristales espejados o tintados.

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